基于SWCNTs-TiO2纳米材料改性的生物酶传感器对阿斯巴甜的快速视觉检测

《Microchemical Journal》：Rapid visual detection of aspartame based on SWCNTs-TiO 2 nanomaterial-modified bioenzyme sensor

阿斯巴甜快速检测：基于SWCNT-TiO?纳米复合材料的双酶电化学-颜色化学耦合传感器，通过Alcohol Oxidase和Carboxylesterase协同分解阿斯巴甜生成H?O?，与TMB显色形成蓝色化合物，实现0.131μg/mL超低检测限及便携式现场分析。

　　近年来，随着食品工业的发展，人工甜味剂的应用日益广泛。其中，阿斯巴甜因其甜度高、热量低而受到青睐，广泛用于饮料、糖果、口香糖等产品中。然而，关于阿斯巴甜的安全性问题一直存在争议。尽管美国食品药品监督管理局（FDA）在1981年批准了阿斯巴甜的使用，但后续的流行病学和实验研究中，仍出现了不同结论。一些研究指出阿斯巴甜可能对健康造成潜在威胁，例如与心血管疾病、高血压、2型糖尿病、神经行为问题以及肾功能异常等有关联。这些研究结果引发了公众和监管机构对阿斯巴甜长期安全性的担忧。

在这一背景下，开发一种快速、灵敏且可靠的检测技术成为重要课题。传统的检测方法如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、气相色谱-串联质谱（GC–MS/MS）以及液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）虽然具有高灵敏度和准确性，但通常需要昂贵的仪器、专业的操作人员以及繁琐的样品前处理过程，限制了其在实际应用中的灵活性。此外，振动光谱技术如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱虽然具有一定的应用价值，但其抗干扰能力较弱，检测范围有限，难以满足对复杂样品中阿斯巴甜的准确识别需求。

相比之下，电化学传感器因其操作简便、成本低廉、灵敏度高，成为一种极具潜力的检测手段。电化学生物传感器结合生物识别元素（如酶）可提供更精确的检测能力，具备快速响应、便携性和高选择性等优点，适用于现场检测。然而，其选择性仍有待提高，因为信号容易受到共存的电活性物质的干扰。此外，为了获得更准确的检测结果，电化学传感器通常需要复杂的仪器和专业操作，这在一定程度上限制了其普及程度。色谱分析则依赖于特定的仪器设备，操作过程复杂，无法满足快速检测的需求。

基于此，研究人员提出了一种结合电化学与色谱分析的双重响应策略，以克服单一方法的局限性。该策略通过构建一个同时具备电化学和色谱信号的系统，不仅保留了电化学的高灵敏度和色谱的高选择性，还通过电催化作用进一步增强了信号强度。此外，这种双重响应系统能够实现对目标物质的双重识别，从而提高检测的准确性和抗干扰能力。这一方法为现场检测提供了新的思路，兼顾了精确实验室分析与快速现场检测的需求。

在材料选择方面，研究人员采用了一种纳米复合材料——单壁碳纳米管（SWCNTs）与二氧化钛（TiO?）的复合物，用于修饰丝网印刷碳电极（SPCE）。这种纳米复合材料具有多种优势，包括优异的导电性、高比表面积以及松散的多孔结构，为酶的固定和底物的吸附提供了丰富的活性位点。此外，TiO?具有良好的生物相容性和强吸附能力，其可修饰的表面能够实现对特定分子的捕获。SWCNTs的尺寸筛选作用可抑制蛋白质的非特异性吸附，而TiO?则能改变SWCNTs的疏水性，从而增强传感器的性能。

实验中，研究人员将牛血清白蛋白（BSA）作为载体，通过戊二醛（GA）作为交联剂，将乙醇氧化酶（AOX）和羧酸酯酶（CaE）固定在SWCNTs-TiO?/SPCE表面。这种固定方法不仅提高了酶的稳定性，还增强了其在电极表面的活性。AOX和CaE的协同作用能够将阿斯巴甜分解为甲醇（Methanol）和L-天门冬酰-L-苯丙氨酸（L-Asp-L-Phe），随后甲醇进一步被AOX分解为过氧化氢（H?O?）和甲醛（Formaldehyde）。生成的过氧化氢能够与3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）发生反应，形成明显的蓝色产物，从而实现对阿斯巴甜的视觉检测。

为了提高检测的效率和准确性，研究人员将这种双重响应系统与便携式电化学工作站结合，构建了一个独立于实验室的现场检测平台。该平台无需专业操作，能够实现对阿斯巴甜的定性和定量分析。实验结果表明，该传感器在色谱模式下的检测限为0.232 μg/mL，在电化学模式下的检测限为0.131 μg/mL，均优于传统方法。此外，在实际食品样本中的分析结果也显示出良好的一致性，验证了该传感器在食品检测中的应用潜力。

本研究的创新点在于利用纳米复合材料修饰电极表面，构建了一个高效的双重酶生物传感器。这种传感器不仅提高了检测的灵敏度和选择性，还通过电催化作用增强了信号强度。此外，通过将电化学与色谱分析相结合，实现了对阿斯巴甜的双重识别，提高了检测的准确性和抗干扰能力。该方法为现场快速检测提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

在实验过程中，研究人员采用了一系列优化步骤，以确保传感器的性能达到最佳状态。首先，通过戊二醛作为交联剂，将牛血清白蛋白、乙醇氧化酶和羧酸酯酶固定在SWCNTs-TiO?/SPCE表面。这种固定方法不仅提高了酶的稳定性，还增强了其在电极表面的活性。其次，研究人员对实验条件进行了优化，包括pH值、温度、反应时间等，以确保检测的准确性和重复性。通过优化这些条件，研究人员能够实现对阿斯巴甜的高灵敏度检测，并减少其他物质的干扰。

此外，研究人员还对传感器的性能进行了验证。通过使用标准样品和实际食品样本进行测试，研究人员能够评估该传感器在不同条件下的检测能力。实验结果表明，该传感器在标准样品中的检测结果与预期一致，而在实际食品样本中的检测结果也显示出良好的一致性。这表明该传感器不仅适用于实验室分析，也适用于现场快速检测。此外，研究人员还对该传感器的稳定性进行了测试，以确保其在不同环境条件下的可靠性。

本研究的成果为阿斯巴甜的检测提供了一种新的方法。该方法结合了电化学与色谱分析的优势，提高了检测的灵敏度和选择性，同时通过纳米复合材料的修饰增强了传感器的性能。此外，该方法的操作简便，成本低廉，适用于现场快速检测，具有实际应用价值。研究人员还对该传感器的长期稳定性进行了测试，以确保其在实际应用中的可靠性。

在实际应用中，该传感器可用于食品行业对阿斯巴甜含量的快速检测。这种检测方法不仅能够提高食品安全的监管效率，还能为消费者提供更透明的信息。此外，该传感器还可以用于其他食品添加剂的检测，具有广泛的适用性。研究人员还对该传感器的环境适应性进行了测试，以确保其在不同条件下的可靠性。

综上所述，本研究开发了一种基于SWCNTs-TiO?/SPCE的双重酶生物传感器，用于阿斯巴甜的快速、灵敏和视觉检测。该传感器结合了电化学与色谱分析的优势，提高了检测的准确性和抗干扰能力。实验结果表明，该传感器在标准样品和实际食品样本中的检测结果均良好，具有实际应用价值。此外，该传感器的操作简便，成本低廉，适用于现场快速检测，为食品安全的监管提供了新的思路。